DE102018102704A1

DE102018102704A1 - Radialverdichter

Info

Publication number: DE102018102704A1
Application number: DE102018102704.4A
Authority: DE
Inventors: Boris Thaser; Matthias Köhler; Oswald Löwlein; Sven EISENBACH
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2019-08-08
Also published as: JP2019143627A; CH714650A2; US10968922B2; US20190242402A1; CN110118199A; KR20190095892A; CH714650B1

Abstract

Radialverdichter (10), mit einem Laufrad (11); mit einem Gehäuse (13), welches einen radial äußeren Spiralgehäuseabschnitt (16) und einen radial inneren Einsatzstückabschnitt (15) aufweist; mit einem Hauptströmungskanal (17) zum Zuführen eines zu verdichtenden Mediums in Richtung auf das Laufrad (11); mit einer radial außerhalb des Hauptströmungskanals (17) angeordneten Zirkulationskammer (18), welche durch eine Konturwand (19) vom Hauptströmungskanal (17) abgegrenzt ist, welche im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal über (17) über eine Zirkulationsöffnung (20) verbunden ist, und welche über sich in der Zirkulationskammer (18) erstreckenden Streben (14) mit dem Einsatzstückabschnitt (15) verbunden ist. Der Hauptströmungskanal (17) ist von der Konturwand (19) und stromabwärts der Konturwand (19) von einem ersten Segment (21) des Einsatzstückabschnitt (15) begrenzt. Die Streben (14) greifen an einem zweiten Segment (22) des Einsatzstückabschnitts (15) an. Das zweite Segment (22) des Einsatzstückabschnitts (15) greift an einem stromabwärtigen Ende (23) des ersten Segments (21) des Einsatzstückabschnitts (15) an. Das stromaufwärtige Ende (24) des ersten Segments (21) des Einsatzstückabschnitts (15) ragt frei in Richtung auf die Konturwand (19). Das erste Segment (21) des Einsatzstückabschnitts (15) weist im Meridianschnitt gesehen über seine Erstreckung zwischen dem stromabwärtigen Ende (23) und dem stromaufwärtigen Ende (24) eine in etwa kontante Dicke mit einer Dickenabweichung von maximal 5% auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der EP 2 194 277 A1 ist ein Radialverdichter eines Abgasturboladers bekannt. So zeigt die EP 2 194 277 A1 einen Radialverdichter mit einem rotorseitigen Laufrad und einem statorseitigen Gehäuse. Das Gehäuse definiert einen Hauptströmungskanal, um zu verdichtendes Medium in Richtung auf das Laufrad zu führen. Außerhalb des Hauptströmungskanals ist eine Zirkulationskammer angeordnet, welche durch eine Konturwand von dem Hauptströmungskanal abgegrenzt ist. Nach der EP 2 194 277 A1 erstreckt sich die Zirkulationskammer bis zu einer Zirkulationsöffnung im Bereich des Laufrads. Im Bereich des Laufrads ist die Zirkulationskammer über die Zirkulationsöffnung mit dem Hauptströmungskanal verbunden. Innerhalb der Zirkulationskammer verlaufen Streben, über welche die Konturwand, die den Hauptströmungskanal von der Zirkulationskammer abgrenzt, mit dem Gehäuse verbunden ist.
Nach der EP 2 194 277 A1 weist das Gehäuse des Radialverdichters einen radial äußeren Spiralgehäuseabschnitt und einen radial inneren Einsatzstückabschnitt auf. Spiralgehäuseabschnitt und Einsatzstückabschnitt sind dabei einstückig ausgeführt. Ein erstes Segment des Einsatzstückabschnitts definiert stromabwärts der Konturwand den Hauptströmungskanal. Die Konturwand ist über die Streben an einem zweiten Segment des Einsatzstückabschnitts verbunden. Das zweite Segment des Einsatzstückabschnitts, an dem die Streben angreifen, greift seinerseits an einem stromaufwärtigen Ende des ersten Segments des Einsatzstückabschnitts an.
Im Schadensfall eines solchen Radialverdichters können zum Beispiel Bruchstücke des Laufrads auf den Einsatzstückabschnitt auftreffen. Bislang kann sich der Einsatzstückabschnitt eines solchen Radialverdichters nicht definiert im Versagensfall verformen. Vielmehr wir die Verformung des Einsatzstückabschnitts durch die strukturelle Anbindung des zweiten Segments des Einsatzstückabschnitts mit dem ersten Segment des Einsatzstückabschnittes unterbunden. Infolgedessen werden die aus dem Einschlag der Bruchstücke in den Einsatzstückabschnitt resultierenden Kräfte in den Spiralgehäuseabschnitt weitergeleitet. Hierdurch wird die Containmentsicherheit eingeschränkt, da es zu einer Überlastung des Spiralgehäuseabschnitts und/oder einer Flanschverbindung zwischen Spiralgehäuseabschnitt und Lagergehäuse kommen kann und Bruchstücke in die Umgebung gelangen können.
Es besteht Bedarf daran, die Containmentsicherheit eines Radialverdichters zu erhöhen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen neuartigen Radialverdichter zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Radialverdichter gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß greift das zweite Segment des Einsatzstückabschnitts an einem stromabwärtigen Ende des ersten Segments des Einsatzstückabschnitts an. Das stromaufwärtige Ende des ersten Segments des Einsatzstückabschnitts ragt frei schwebend in Richtung auf die Konturwand. Das erste Segment des Einsatzstückabschnitts weist im Meridianschnitt gesehen über seine Erstreckung zwischen dem stromabwärtigen Ende und dem stromaufwärtigen Ende eine in etwa kontante Dicke mit einer Dickenabweichung von maximal 5% auf.
Mit der Erfindung ist es möglich, dass sich das erste Segment des Einsatzstückabschnitts definiert in die Zirkulationskammer hinein verformen kann, nämlich insbesondere dann, wenn im Schadensfall Bruchstücke des Laufrads des Radialverdichters auf den Einsatzstückabschnitt treffen. Die im Meridianschnitt gesehen in etwa kontante Dicke des ersten Segments des Einsatzstückabschnitts zwischen dem stromabwärtigen Ende und dem stromaufwärtigen Ende mit einer Dickenabweichung von maximal 5% gewährleistet in Kombination mit den anderen oben genannten Merkmalen die definierte Verformung des Einsatzstückabschnitts.
Hierdurch wird im Versagensfall des Radialverdichters eine definierte Verformung des Einsatzstückabschnitts, nämlich des den Hauptströmungskanal zumindest abschnittsweise begrenzenden ersten Segments des Einsatzstückabschnitts, ermöglicht. Eine Krafteinleitung in den Spiralgehäuseabschnitt und/oder in die Flanschverbindung zwischen Spiralgehäuseabschnitt und Lagergehäuse wird verhindert bzw. stark reduziert.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist das erste Segment des Einsatzstückabschnitts an einer dem Hauptströmungskanal zugewandten ersten Seite und an einer dem Hauptströmungskanal abgewandten zweiten Seite oberflächenbearbeitet. Die Oberflächenbearbeitung des ersten Segments des Einsatzstückabschnitts an beiden Seiten desselben unterstützt die definierte Verformung desselben im Schadensfall und erhöht so weiter die Containmentsicherheit.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weist das erste Segment des Einsatzstückabschnitts über seine Erstreckung eine in etwa kontante Dicke mit einer Dickenabweichung von maximal 2%, bevorzugt von maximal 1% auf. Eine derartige definierte Dicke des ersten Segments des Einsatzstückabschnitts unterstützt die definierte Verformung desselben und erhöht weiter die Containmentsicherheit des Radialverdichters.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist in einem Übergangsbereich zwischen dem ersten Segment des Einsatzstückabschnitts und dem zweiten Segment des Einsatzstückabschnitts an einer dem Hauptströmungskanal abgewandten Seite eine Materialaussparung insbesondere in Form einer Kerbe ausgebildet. Die Materialaussparung unterstützt die definierte Verformung des ersten Segments des Einsatzstückabschnitts im Versagensfall des Radialverdichters, insbesondere dann, wenn Bruchstücke des Laufrads auf das erste Segment des Einsatzstückabschnitts treffen. Auch hierdurch kann die Containmentsicherheit des Radialverdichters weiter erhöht werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1: einen schematisierten Meridianschnitt durch einen erfindungsgemäßen Radialverdichter.

Ein Radialverdichter 10 verfügt über ein rotorseitiges Laufrad 11 mit mehreren Laufschaufeln 12. Ferner verfügt ein Radialverdichter 10 über ein statorseitiges Gehäuse 13.
Vom statorseitigen Gehäuse 13 sind in 1 ein im Bereich des Laufrads 11 positionierter, radial innerer Einsatzstückabschnitt 15 sowie ein stromabwärts des Laufrads 11 angeordneter, radial äußerer Spiralgehäuseabschnitt 16 gezeigt, die im Ausführungsbeispiel der 1 von separaten Baugruppen ausgebildet sind.
In 1 ist das Gehäuse 13 mehrteilig ausgeführt und umfasst den separaten Einsatzstückabschnitt 15 sowie den separaten Spiralgehäuseabschnitt 16, die miteinander verbunden sind.
Im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel sind demnach der Einsatzstückabschnitt 15 und der radial äußere Spiralgehäuseabschnitt 16 des statorseitigen Gehäuses 13 bauteilseitig getrennt, sodass dieselben von getrennten oder separaten Bauteilen bereitgestellt sind. Der Einsatzstückabschnitt 15 begrenzt demnach im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel nicht, und zwar auch nicht abschnittsweise, einen spiralartigen Strömungskanal, der vom Spiralgehäuseabschnitt 16 definiert wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass es im Unterschied zum gezeigten Ausführungsbeispiel grundsätzlich auch möglich ist, dass der Einsatzstückabschnitt 15 und der Spiralgehäuseabschnitt 16 einstückig ausgebildet sein können und von einer monolithischen Baugruppe bereitgestellt sind. Auch ist es grundsätzlich möglich, dass der Einsatzstückabschnitt 15 den spiralartigen Strömungskanal, der vom Spiralgehäuseabschnitt 16 definiert wird, abschnittsweise begrenzt.
Das Gehäuse 13 des Radialverdichters 10 definiert einen Hauptströmungskanal 17 für zu verdichtendes Medium, um über den Hauptströmungskanal 17 das zu verdichtende Medium in Richtung auf das Laufrad 11 zu führen. Radial außen angrenzend an den Hauptströmungskanal 17 definiert das Gehäuse 13 eine Zirkulationskammer 18. Eine Konturwand 19, die auch als Ringsteg bezeichnet wird, grenzt den Hauptströmungskanal 17 von der Zirkulationskammer 18 ab und begrenzt den Hauptströmungskanal 17 abschnittsweise.
Die Zirkulationskammer 18 erstreckt sich von einem Abschnitt stromaufwärts des Laufrads 11 bis in den Bereich des Laufrads 11 hinein. 1 zeigt eine Zirkulationsöffnung 20 im Bereich des Laufrads 11, über welche die Zirkulationskammer 18 im Bereich des Laufrads 11 mit dem Hauptströmungskanal 17 verbunden ist. Innerhalb der Zirkulationskammer 18 erstrecken sich Streben 14.
Über die Streben 14 ist die Konturwand 19 mit dem Gehäuse 13 verbunden, nämlich im gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Einsatzstückabschnitt 15 des Gehäuses 13.
Der Einsatzstückabschnitt 15 des Gehäuses 13 verfügt über ein erstes Segment 21, welches den Hauptströmungskanal 17 stromabwärts der Konturwand 19 begrenzt. Die Zirkulationsöffnung 20 ist zwischen der Konturwand 19 und diesem ersten Segment 21 des Einsatzstückabschnitts 15 ausgebildet. An einem zweiten Segment 22 des Einsatzstückabschnitts 15 greifen die Streben 14 an, an denen auch die Konturwand 19 angreift.
Das zweite Segment 22 des Einsatzstückabschnitts 15 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel zweiteilig aus den beiden Teilen 22a und 22b ausgeführt. Die Teile 22a und 22b können auch einstückig bzw. einteilig ausgeführt sein.
Das zweite Segment 22 des Einsatzstückabschnitts 15, an welchem die Streben 14 angreifen, greift an einem stromabwärtigen Ende 23 des ersten Segments 21, welcher anschließend an die Konturwand 19 den Hauptströmungskanal 17 abschnittsweise begrenzt, an. Das stromaufwärtige Ende 24 des ersten Segments 21 des Einsatzstückabschnitts 15 ragt frei schwebend in Richtung auf die Konturwand 19. Die Zirkulationsöffnung 20 ist zwischen der Konturwand 19 und diesem stromaufwärtigen Ende 24 des ersten Segments 21 des Einsatzstückabschnitts 15 ausgebildet.
Das erste Segment 21 des Einsatzstückabschnitts 15 weist im Meridianschnitt gesehen über seine Erstreckung zwischen dem stromabwärtigen Ende 23 desselben und dem stromaufwärtigen Ende 24 desselben eine in etwa kontante Dicke bzw. Dickenverlauf mit einer Dickenabweichung von maximal 5% auf.
Sollte im Schadensfall zum Beispiel ein Bruchstück des Laufrads 11 auf dem Einsatzstückabschnitt 15, nämlich das erste Segment 21 desselben, auftreffen, so kann sich das stromaufwärtige Ende 24 des ersten Segments 21 des Einsatzstückabschnitts 15 definiert in die Zirkulationskammer 18 hinein verformen und so kinetische Energie von Bruchstücken des Laufrads 11 definiert abbauen. Die im Schadenfall in das Gehäuse 13 eingeleiteten Kräfte können dadurch gezielt kontrolliert werden, um eine Überlastung des Spiralgehäuseabschnitts 16 und einer Flanschverbindung zwischen Spiralgehäuseabschnitt und Lagergehäuse und einen damit verbundenen Austritt von Bruchstücken in die Umgebung zu vermeiden. Hierdurch wird die Containmentsichterheit erhöht.
Um diese definierte Verformung des ersten Segments 21 des Einsatzstückabschnitts 15 im Schadensfall des Verdichters 10 zu unterstützen bzw. zu verbessern, ist das erste Segment 21 des Einsatzstückabschnitts 15 an einer dem Hauptströmungskanal 17 zugewandten ersten Seite 25 und an einer dem Hauptströmungskanal 17 abgewandten zweiten Seite 26 oberflächenbearbeitet, insbesondere derart, dass das erste Segment 21 des Einsatzstückabschnitts 15 über seine gesamte Erstreckung, also ausgehend vom stromaufwärtigen Ende 24 desselben in Richtung auf einen Übergangsbereich 27 zum zweiten Segment 22 des Einsatzstückabschnitts 15, im Meridianschnitt gesehen die in etwa konstante Dicke bzw. den in etwa konstanten Dickenverlauf aufweist. Die in etwa konstante Dicke lässt eine Dickenabweichung von maximal 5 Prozent, bevorzugt eine Dickenabweichung von maximal 2 Prozent, besonders bevorzugt eine Dickenabweichung von maximal 1 Prozent, zu.
Dann, wenn die Dicke des ersten Segments 21 des Einsatzstückabschnitts 15 10mm beträgt, weicht also im besonders bevorzugten Fall die Dicke um maximal 0,1 mm von der Dicke von 10mm über die gesamte Erstreckung des ersten Segments 21 des Einsatzstückabschnitts 15 zwischen dem stromaufwärtigen Ende 24 desselben und dem Übergangsbereich 27 zum zweiten Segment 22 bzw. dem stromabwärtigen Ende 23 desselben ab.
Das Verformungsverhalten des ersten Segments 21 des Einsatzstückabschnitts 15 kann dann weiter verbessert werden, wenn in dem Übergangsbereich 27 zwischen dem ersten Segment 21 und dem zweiten Segment 22 eine vorzugsweise als Kerbe 28 ausgeführte Materialaussparung an der dem Hauptströmungskanal 17 abgewandten Seite 26 des ersten Segments 21 ausgebildet ist.
Wie bereits ausgeführt, ist der Einsatzstückabschnitt 15 mehrteilig aus den beiden Teilen 22a, 22b ausgebildet. Der Einsatzstückabschnitt 15 kann jedoch auch einteilig ausgeführt sein, wobei dann die beiden Teile 22a, 22b einstückig sind.
Mit der Erfindung kann im Schadensfall kinetische Energie von Bruchstücken des Laufrads 11 durch eine definierte Verformung des ersten Segments 21 des Einsatzstückabschnitts 15 abgebaut werden. Das Spiralgehäuse 16, insbesondere eine Spiralgehäuseaußenwand desselben sowie eine Flanschverbindung zwischen Spiralgehäuseabschnitt und Lagergehäuse, wird dann keiner oder nur einer geringen Belastung und Deformation ausgesetzt. Die Containmentsicherheit wird erhöht.
Beim Radialverdichter 10 der 1 handelt es sich um einen Radialverdichter eines Abgasturboladers. Dieser ist axial von einem im Bereich des Laufrad 11 zu verdichtenden Medium angeströmt und radial von dem verdichteten Medium abgeströmt.
Bezugszeichenliste

10: Radialverdichter
11: Laufrad
12: Laufschaufel
13: Gehäuse
14: Strebe
15: Einsatzstückabschnitt
16: Spiralgehäuseabschnitt
17: Hauptströmungskanal
18: Zirkulationskammer
19: Konturwand
20: Zirkulationsöffnung
21: erstes Segment
22: zweites Segment
22a: erstes Teil
22b: zweites Teil
23: stromabwärtiges Ende
24: stromaufwärtiges Ende
25: erste Seite
26: zweite Seite
27: Übergangsbereich
28: Kerbe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2194277 A1 [0002, 0003]

Claims

Radialverdichter (10), insbesondere Radialverdichter eines Abgasturboladers, mit einem rotorseitigen Laufrad (11); mit einem statorseitigen Gehäuse (13), welches einen radial äußeren Spiralgehäuseabschnitt (16) und einen radial inneren Einsatzstückabschnitt (15) aufweist; mit einem Hauptströmungskanal (17) zum Zuführen eines zu verdichtenden Mediums in Richtung auf das Laufrad (11); mit einer radial außerhalb des Hauptströmungskanals (17) angeordneten Zirkulationskammer (18), welche durch eine Konturwand (19) vom Hauptströmungskanal (17) abgegrenzt ist, welche im Bereich des Laufrads (11) mit dem Hauptströmungskanal (17) über eine Zirkulationsöffnung (20) verbunden ist und welche über sich in der Zirkulationskammer (18) erstreckenden Streben (14) mit dem Einsatzstückabschnitt (15) verbunden ist; wobei der Hauptströmungskanal (17) von der Konturwand (19) und stromabwärts der Konturwand (19) von einem ersten Segment (21) des Einsatzstückabschnitts (15) begrenzt ist, und wobei die Streben (14) an einem zweiten Segment (22) des Einsatzstückabschnitt (15) angreifen; dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Segment (22) des Einsatzstückabschnitts (15) an einem stromabwärtigen Ende (23) des ersten Segments (21) des Einsatzstückabschnitts (15) angreift; das stromaufwärtige Ende (24) des ersten Segments (21) des Einsatzstückabschnitts (15) frei in Richtung auf die Konturwand (19) ragt; das erste Segment (21) des Einsatzstückabschnitts (15) im Meridianschnitt gesehen über seine Erstreckung zwischen dem stromabwärtigen Ende (23) und dem stromaufwärtigen Ende (24) eine in etwa kontante Dicke mit einer Dickenabweichung von maximal 5% aufweist.
Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das stromaufwärtige Ende (24) des ersten Segments (21) in die Zirkulationskammer (18) hinein verformbar ist.
Radialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Segment (21) des Einsatzstückabschnitts (15) an einer dem Hauptströmungskanal (17) zugewandten ersten Seite (25) und an einer dem Hauptströmungskanal (17) abgewandten zweiten Seite (26) oberflächenbearbeitet ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Segment (21) des Einsatzstückabschnitts (15) im Meridianschnitt gesehen über seine Erstreckung zwischen dem stromabwärtigen Ende (23) und dem stromaufwärtigen Ende (24) eine in etwa kontante Dicke mit einer Dickenabweichung von maximal 2%, bevorzugt von maximal 1% aufweist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich (27) zwischen dem ersten Segment (21) des Einsatzstückabschnitts (15) und dem zweiten Segment (22) des Einsatzstückabschnitts (15) an einer dem Hauptströmungskanal (17) abgewandten Seite (26) eine Materialaussparung insbesondere in Form einer Kerbe (28) ausgebildet ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatzstückabschnitts (15) einteilig ausgebildet ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatzstückabschnitts (15) mehrteilig ausgebildet ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatzstückabschnitt (15) und der radial äußere Spiralgehäuseabschnitt (16) des statorseitigen Gehäuses (13) bauteilseitig getrennt sind, wobei dieselben von getrennten oder separaten Bauteilen bereitgestellt sind.